Klimawandel und der Treibhauseffekt

Klimawandel und der Treibhauseffekt

Der Versuch einer einfachen Erklärung

Beginnen wir ganz am Anfang, um den Klimawandel und seine Hintergründe zu verstehen. Wenn wir heute vom Klimawandel sprechen, dann sprechen wir eigentlich vom menschengemachten Klimawandel. Klimawandel gab es auch schon ohne den Menschen. Der von Menschen verstärkte Klimawandel ist es, der uns vor die größten Herausforderungen stellt.

Der, durch die Atmosphäre entstandene Treibhauseffekt, sorgt dafür, dass sich auf der Erde eine Oberflächentemperatur von 16 °C einstellte. Ohne Atmosphäre wären es -18 °C. Das und weitere Bedingungen ermöglichten erst, dass Leben auf der Erde entstehen konnte.

Einstrahlungsbilanz einer Felsenerde ohne Atmosphaere

Durch die Verbrennung fossiler Brennstoffe wird der Kohlenstoffkreislauf aus dem Gleichgewicht gebracht. Es werden so viele Treibhausgase ausgestoßen, dass sich mehr Kohlenstoffdioxid in der Luft sammelt, als Pflanzen und Meere aufnehmen können. Die zu hohe Kohlenstoffdioxid-Konzentration führt zu einer Erhöhung der Oberflächentemperatur der Erde.

Faktoren für die Entstehung von Leben auf der Erde

Bei der Entstehung des Universums waren bereits alle Elemente in atomarer Form vorhanden. Durch Gravitation und weitere Kräfte entstanden Sterne und Planeten, so auch unsere Erde.

Was ist die Lebenszone?

Als Lebenszone wird der Bereich genannt, in dem Planeten in der Lage sind, Wasser in flüssiger Form zu halten, was Voraussetzung für Leben ist. Die Erde befindet sich mit Venus und Mars in der habitablen Zone unseres Sonnensystems. Habitable Zone ist ein anderer Begriff für die lebensfreundliche Zone. Doch nur die Erde war durch ihre Beschaffenheit in der Lage, Wasserdampf langfristig zu binden. Auf der Venus wurden die flüchtigen Teile durch die UV-Strahlung der Sonne abgespalten und so verflüchtigte sich das Wasser. Der Mars hat eine zu geringe Masse, sodass die Gravitation nicht genug Kraft hatte, um den Wasserdampf zu binden. (Mars: 3,69 m/s², Erde: 9,81 m/s²)

Lebenszone

Wasser - Wie es auf die Erde kam?

Durch Kollisionen mit Asteroiden, die Wasser meist in gefrorener Form enthielten, sammelten sich so das Wasser als Wasserdampf auf der Erde an. Die Erde war zu der Zeit noch eine glühende Kugel und mit mehr Wasser sank der atmosphärische Druck und die Temperatur. Dadurch fiel viel Wasser in Form von Regen auf die Erde und Meere und Ozeane entstanden.

Die Kollision mit dem Protoplaneten (Bezeichnung für einen Vorläufer eines Planeten) Theia brachte nicht nur Wasser auf die Erde.

Die Entstehung des Mondes

Durch die Kollision mit Theia entstand der Mond. Theia war ein Körper, der in etwa der Größe des Mars entsprach. Die abgeschlagenen Teile der Erde und Theia sammelten sich in der Erdumlaufbahn und ballten sich zum Mond.

Dadurch verlangsamte sich die Rotationsgeschwindigkeit der Erde von 3 bis 4 Stunden auf 24 Stunden. In gleichem Maße gingen die Winde zurück, die zuvor mit bis zu 500 km/h über die Erdoberfläche wehten. Das entspricht einem Tornado der Stufe F5.

F5 - Incredible Damage - Holzhäuser werden von ihren Fundamenten gerissen, weit verschoben und zerlegt. Ein Tornado der Stärke F5 kann Asphalt von der Straße schälen.

- https://de.wikipedia.org/wiki/Fujita-Skala

Außerdem stabilisierte sich die Drehachse bei 23,4° zur Ekliptik (Ekliptik = Planetenebene; Bezeichnung der Ebene der Umlaufbahnen der Planeten um die Sonne).

Die Atmosphäre und die Treibhausgase

Die Erdatmosphäre besteht aus fünf Schichten, wobei die unterste, als Homosphäre oder umgangssprachlich als Luft bezeichnet wird. Sie setzt sich aus, verschiedenen Stoffen zusammen.

GasProzentanteil
Stickstoff78,08 %
Sauerstoff20,95 %
Argon0,93 %
Kohlenstoffdioxid0,04 %


Auch wenn Kohlenstoff nur in kleiner Menge vorkommt, hat er als das am häufigsten vorkommende Treibhausgas einen großen Effekt auf das Klima.

Schon 1856 wurde von Eunice Newton-Foote ein Versuch durchgeführt, in dem zwei Glaskolben in die Sonne gelegt wurden. Der eine beinhaltete die „normale“ Luft und der zweite Kohlenstoffdioxid. Beide erwärmten sich, der mit Luft auf 37,8 °C, der mit CO₂ gefüllte auf 49 °C.

Das liegt daran, dass sich die CO₂-Moleküle durch die Sonnenstrahlung und die damit einhergehende Energie in Schwingung versetzten und diese Energie später wieder ungerichtet abgeben, also auch wieder in Richtung der Erdoberfläche. Das gilt auch für die weiteren Treibhausgase.

CO₂ ist das am meisten auftretende und stabilste Treibhausgas, weswegen die anderen meist in CO₂ Äquivalente (kg CO₂e oder kg CO₂eq) zusammengefasst werden. CO₂ entsteht bei der Zersetzung und Verbrennung von kohlenstoffhaltigen Verbindungen.

Anteil der Treibhausgase an den Emissionen in CO2eq 2021

TreibhausgasErwärmungspotential (GWP in CO2e)
Kohlenstoffdioxid (CO₂)1
Methan (CH4)25
Lachgas (N2O)298
Teilhalogenierte Fluorkohlenwasserstoffe (HFC)
124 bis 14 800
Perfluorierte Kohlenwasserstoffe (PFC)
7390 bis 12 200
Schwefelhexafluorid (SF6)
22 800
Stickstofftrifluorid (NF3)
17 200


Erklärung am Beispiel: Methan

Zwei Faktoren bestimmen den Einfluss eines Gases auf die Klimaerwärmung:

  1. Verweilzeit und
  2. Strahlungsantrieb des Gases.

Dadurch berechnet sich der Einfluss.

Für die Berechnung wird das Erwärmungspotential auf 100 Jahre betrachtet (GWP-100). Würde es nur auf 20 Jahre betrachtet werden, wäre der Faktor noch viel extremer.


Treibhausgase CO2 und Methan im Vergleich

Der Kohlenstoffkreislauf

Kohlenstoff

Kohlenstoff ist leben - die Chemie ist in zwei große Gebiete unterteilt:

  • die anorganische Chemie mit ca. 200 000 Verbindungen (ohne Kohlenstoff) und
  • die organische Chemie mit ca. 20 000 000 Verbindungen allesamt mit Kohlenstoff. Der menschliche Körper besteht zu 60 % aus Wasser und zu 9,5 % Kohlenstoff. Kohlenstoff ist also im Körper neben Sauerstoff und Wasserstoff der Hauptbestandteil.

Der Kohlenstoffkreislauf beschreibt den Austausch von Kohlenstoff zwischen Tieren und Pflanzen. Zur einfachen Darstellung betrachten wir den menschlichen Stoffwechsel (die Zellatmung) und die pflanzliche Photosynthese.

Kohlenstoffkreislauf

Bei der Photosynthese, wandelt die Pflanze, mit Hilfe von Sonnenenergie, Wasser und Kohlenstoffdioxid in Zucker und Sauerstoff um. Während beim menschlichen Stoffwechsel aus Zucker und Sauerstoff, Kohlenstoffdioxid, Wasser und Energie entsteht.

Erweitert scheiden wir nun kohlenstoffhaltige Verbindungen aus, die von Pilzen und Mikroben zersetzt werden. Findet diese Umwandlung anaerob statt, entsteht Methan, was über die Zeit in CO₂ umgewandelt wird. Findet es aerob statt, so entsteht direkt. CO₂ (Dieser Zersetzungsprozess findet in uns statt und ist auch der Grund, warum Kühe einen so hohen CO₂ -Fußabdruck haben.)

Dieser Kreislauf findet so auch im Wasser (Seen und Meere) statt, wie auch zwischen den Sphären. (Hydrosphäre, Biosphäre, Atmosphäre)

Sterben Pflanzen und Tiere, setzten sich die Kohlenstoffverbindungen ab und über Jahrmillionen, unter Einfluss von Druck und Hitze, entstehen fossile Energieträger. Im Meer entstehen Öl und Gas; an Land entsteht Kohle.

Entstehung fossiler Brennstoffe 1

Der (anthropogene) Klimawandel

Die Erde ist immer wieder Klimaschwankungen ausgesetzt. Seit der Entstehung gabs wärmere und kältere Perioden. Seit der letzten Eiszeit vor rund 12000 Jahren war das Klima relativ stabil. Erst seit 1980 ist ein starker Anstieg der mittleren Atmosphärentemperatur zu erkennen.

Dabei spielt insbesondere Kohlenstoffdioxid eine entscheidende Rolle (vgl. Grafik), der durch das Verbrennen von fossilen Brennstoffen zur Erzeugung von Energie entsteht. Kombiniert mit dem steigenden Energiebedarf der Menschheit stieg der CO₂ -Ausstoss von 2 Gigatonnen im Jahre 1900 auf 34,8 Gigatonnen 2021 (max. 2017 37,1 Gt).

CO2 Emissionen und Konzentration

Rückkopplungsprozesse und Kipppunkte

Die Erhöhung der Temperatur und die Veränderung des Klimas kann zu Effekten führen, die diese Veränderungen zusätzlich verstärken. Dieser Verstärkungseffekt ist für die Menschheit besonders gefährlich, insbesondere wenn Kipppunkte übertreten werden. Kipppunkte sind Ereignisse, die nicht mehr rückgängig gemacht werden können, wenn sie einmal übertreten sind. Die Reaktionen der Umwelt auf Veränderungen des Klimas sind ganz natürlich, lassen sich aber nicht mehr rückgängig machen und können den Planeten für die Menschen unbewohnbar machen.

3 Beispiele für diese Rückkopplungen sind:

Verringertes Albedo (= Rückstrahlvermögen eines Planeten/Körpers)

Durch das Abschmelzen der Eisflächen wird die einstrahlende Sonnenenergie nicht mehr von der weißen Oberfläche direkt reflektiert, sondern von der dunklen Oberfläche des Meers absorbiert.

Versteppung des Regenwalds

Zusätzlich angetrieben durch die Abholzung, droht durch die Erwärmung, das Klima der Regenwald auszutrocknen. Der Wald ist auf viel Regen angewiesen, den er für die Photosynthese benötigt. Weniger Wasser, weniger Photosynthese, weniger CO₂, das gespeichert werden kann. Das heißt wiederum mehr CO₂ in der Atmosphäre.
Regenwald 1

Tauender Permafrost

Im sibirischen und kanadischen Permafrostboden sind in Tiefen von ein paar Metern vermutlich mehrere Milliarden Tonnen Kohlenstoff aus der letzten Eiszeit in organischen Materialien gebunden. Sollte dieser tauen, so werden tausende Tonnen freigesetzt.

Diese Rückkopplungen sind an bestimmte Temperaturen gebunden, und werden auch Kipppunkte genannt. Werden diese überschritten, kann dann zu einem Dominoeffekt führen, der nicht mehr aufzuhalten ist.

Kippunkte

Mit diesem Hintergrundwissen blicken wir im nächsten Artikel auf Kaffee und den Klimawandel. Was ist der Impact von Kaffee auf den Klimawandel und was ist der Einfluss des Klimawandels auf den Kaffee?

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2 Kommentare

  • Toll animiert und wissenschaftlich dargestellt!
    Mehr davon bitte :-)
  • Hey Reto, vielen Dank für dein Feedback! Wird es in Zukunft auf jeden Fall geben. Grüsse Thomas

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